高速公路机电系统过电压保护及防雷接地研究

高速公路机电系统过电压保护及防雷接地研究

郭凯

山西省交通规划勘察设计院山西太原030012

摘要：高速公路机电系统是包含电力、通讯、监控等系统的综合系统。一般来说，高速公路机电系统集中在收费站、服务区、隧道等地点，具有分布分散，多为户外布置等特点。因此，高速公路机电系统相关设备易遭到雷击，进而造成系统的破坏或设备损坏，带来直接和间接的经济损失，影响公路的运营和管理。故我们应该高度重视公路机电系统的防雷。本文主要深入探究了高速公路机电系统过电压保护及防雷接地。

关键词：高速公路；机电系统；过电压保护；防雷接地

一、高速公路机电系统过电压入侵途径

（一）传导耦合方式

传导耦合是雷电流与电子设备之间的主要耦合途径之一，传导耦合必须在雷电流与电子设备之间存在完整的电路连接，雷电流沿着这一连接电路入侵到电子设备。传导耦合的连接线路包括互连导线、电源线、信号线等，传导耦合按其耦合方式可以分为阻抗性耦合、电容性耦合和电感性耦合。当2个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路的电流在该公共阻抗形成的电压就会影响到另一个电路，这就是共阻抗耦合。因此应尽量降低电源内阻及线路阻抗，应将地线尽量缩短并加粗，以降低公共地线阻抗。在无法降低电源内阻及线路阻抗时，另一个根本的方法是在每一个控制回路中加装浪涌保护器。电容性耦合引起的感应过电压正比于雷电流的工作频率、耦合电容、雷电过电压、接地电阻，抑制电容性耦合的有效方法是减小耦合电容，工程中主要采取屏蔽和隔离的措施。电感性耦合引起的感应过电压正比于雷电流的工作频率、互感、雷电过电流、接地电阻，抑制电感性耦合的主要方法是减小互感。

（二）辐射耦合方式

辐射耦合是雷电电磁脉冲通过其周围的媒介以电磁波的形式向外传播，雷电电磁波能量按电磁场的规律向周围空间发射，辐射耦合的途径主要有天线、电缆、机壳等。

二、防雷接地技术的要求

接地为防雷技术的主要环节，感应雷或直击雷，在最后，均可将雷电导入大地。对于优良的接地系统，其为设备及人身安全、系统稳定工作的主要保证。按照要求与作用，接地能划成重复接地、防雷接地、工作接地、保护接地以及直流工作接地。解决了共地时的信号“互扰”问题，联合接地存在了先决条件。把配电房、收费车道及监控机房地方的地网连接起来，成为整体，在相互间，把4×40mm的扁钢带作为纽带，实施多于两处的连接，确保地网均压等电位。能清除建筑物中全部设备间具有的危险电位差，使建筑物中磁场强度减小。配电房、收费车道及监控机房接地系统尽量地运用建筑物地基的钢筋，与自然金属接地物进行连接，把其当作地网，尽可能地使用自然接地物当作基础。用人工接地体实施补充，针对外形，能运用闭合方式。当利用等电位连接以后，使建筑物与内部设备的避雷能力得以提升，由于运用等电位连接，因此，就建筑物接地电阻的要求能降低，设计的投资成本极大地减少，极大降低了施工难度。

三、高速公路机电系统防雷接地措施

（一）接地系统

目前，高速公路机电系统建设采用的防雷接地系统设计，大多为共用接地系统，其是由等电位连接网络以及相关的接地装置组成的。而接地装置是由人工接地体和自然接地体组成。因此，在实际的系统设计过程中，设计人员要先保证接地电阻值接入的电子设备为最小值。对于接地装置的设计使用，要采用自然接地体，即建筑物的基础钢筋、收费岛、收费大棚支柱的基础钢筋以及车道的基础钢筋等。此外，在设置机电系统空地建设的过程中，要将人工水平接地体与垂直接地体的间距控制在5m以内。这样一来，就能降低地方限制所带来的设计影响。

（二）直击雷防护

设计人员应根据高速公路防雷设计的规范内容，将收费亭和监控中心大楼所能承受的雷击次数设置在0.06次/a以上，即二类防雷建筑工作。具体来说，设计人员可按照滚球法来设计直击雷的防护效果。首先，设计人员要确定避雷针的布局、树木以及高度等指标参数，以保证其具有保护高速公路收费亭以及监控中心大楼各类通信天线安全的效果。其次，作用于收费亭的直击雷防护设计，可将金属构架、金属顶棚、金属支柱以及路面的基础钢筋作为引下线、接闪器以及其他相关的接地装置。此外，对于广场的照明设备、道路，也要通过设置避雷针以保证人员使用的安全稳定性。此过程的设备支撑，可采用混凝土杆以及钢杆，来作为直击雷防护设计的引下线，但其接地的电阻值要控制在30Ω以下。最后，设计人员还要对广场的摄像机、情报板以及立柱等场外设备，设置避雷针以实现与场外电子设备的接地共用。

（三）屏蔽和等电位处理

由于高速公路的监控中心大多设置在建筑物的低层，因此该区域雷击屏蔽及等电位处理应使建筑结构中的金属门窗框与钢筋形成一个屏蔽笼。具体可在监控中心机房底部通过预设等电位连接端子板，以实现防雷接地系统电气的就近连接。对于机房的外墙结构来说，结构钢筋的设备应加密，即将钢筋的网孔控制在200×200mm以内。这样一来，钢筋结构就能实现与门窗的电气连接，从而形成一个完整而可靠的屏蔽笼。值得注意的是，高速公路监控中心机房的地板应设置防静电地板，并要沿着机房四周墙壁的角落设置铜排。此铜排的施工面积应控制在50mm2以上。与此同时，机房防静电地板的金属支撑架应与就近等电位连接网、接地汇流排作多点进行电气连接。这就有效提高了金属屏蔽层以及等电位连接处理的作用效果。

（四）感应雷及雷击电磁脉冲防护

由于感应雷及电磁脉冲所产生的电动势，是通过高速公路机电系统中的信号数据传输线、电源供电线路以及各种管线而形成了瞬间高电压脉冲。这种电磁脉冲会严重破坏机电系统中的各类用电设备以及微电子芯片。因此，相关设计人员应从两方面防雷措施入手来对其进行控制。一方面，设计人员要对信号系统进行防雷处理。相关研究表明，进/出建筑物的信号线缆主要作用于：直击雷防护区、直击雷非防护区以及第一防护区交界处。因此，设计人员应通过设置具有配套适用性的SPD，来保护车辆检测信号输入处、收费亭网络信号以及电动栏杆的控制信息等。另一方面，防雷接地设计人员还要对电源系统采取相应的控制措施。具体来说，设计人员要在直击雷防护区、直击雷非防护区以及与第一防护区交界处，通过安装能够承受I级分类试验的限压型浪涌保护器作为第一级防雷保护设备。即变电所、配电房处的变压器高以及低压侧应分别安装适配的电源SPD等。此外，第一防护区设置完毕后，设计人员还应在各分区的交界处安装限压型浪涌保护器，以满足机房内电源配电箱设备的防雷要求。

结语

总之，高速公路机电系统的过电压保护主要包括通信、监控、充电系统的过电压保护和防雷保护、供配电系统等。供配电系统的过电压保护和防雷保护可参照国家标准或行业标准。考虑了机电系统的过电压保护和防雷保护，包括直接防雷、感应防雷、接地设计等。此外，在高速公路防雷系统工程中，建筑和机电系统的防雷应协调好，机械电气设计中的防雷部分应在设计中得到很好的集成和系统设计，即技术参数的确定、防雷产品的选择、建筑材料的选择、避雷器的安装等问题进行深入的研究和探讨，防雷系统方案要完整，技术指标和工艺要求要明确。

参考文献

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